漢江黃金峽站河系洪水預(yù)報(bào)研究

顧 釗，宋淑紅，席小康

（1.西安水文水資源勘測(cè)中心,陜西 西安 710068；2.陜西省水文水資源勘測(cè)中心,陜西 西安 710068）

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 研究流域概況

漢江是長(zhǎng)江中游的重要支流,發(fā)源于漢中市寧強(qiáng)縣潘冢山,流經(jīng)漢中市寧強(qiáng)、勉縣、南鄭、漢臺(tái)、城固、洋縣、西鄉(xiāng)7 縣（區(qū)）,于西鄉(xiāng)縣茶鎮(zhèn)進(jìn)入安康市,漢中市境內(nèi)集水面積19692 km2,其中黃金峽水文站以上流域集水面積17070 km2,多年平均降水量700 mm～1700 mm,屬于典型的濕潤(rùn)地區(qū),流域內(nèi)暴雨洪水受季風(fēng)影響較大,7 月～9 月易形成大洪水。漢江黃金峽以上流域水系發(fā)育、河網(wǎng)密度大、水利工程較多,集水面積大于100 km2的一級(jí)支流有22 條,干流設(shè)有武侯鎮(zhèn)、漢中、洋縣、黃金峽4 處水文站,主要支流設(shè)有11 處基本水文站,流域內(nèi)建有石門、黃金峽2 座大型水庫(kù),另有多座中小型水庫(kù)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究選擇的資料為漢江黃金峽斷面以上流域1995 年～2021 年汛期（4 月～10 月）整編的降雨、流量資料,從1995年～2020 年中篩選出39 場(chǎng)洪水,按時(shí)間前后順序選取前29場(chǎng)為率定場(chǎng)次、其余10 場(chǎng)作為檢驗(yàn)場(chǎng)次,分別進(jìn)行場(chǎng)次洪水率定及模型驗(yàn)證；從2021 年汛期洪水場(chǎng)次中選取2 場(chǎng)典型洪水進(jìn)行河系洪水預(yù)報(bào)應(yīng)用分析。

1.3 研究方法

1.3.1 新安江模型

新安江模型是由趙人俊[1]教授等人提出的一種具有物理基礎(chǔ)的概念性流域水文模型。該模型主要包括四部分：蒸散發(fā)計(jì)算、產(chǎn)流計(jì)算、水源劃分以及匯流計(jì)算。模型采用三層蒸散發(fā)模式計(jì)算蒸發(fā)量；以蓄滿產(chǎn)流方式計(jì)算產(chǎn)流量；將徑流分為地面徑流、地下徑流和壤中流三類進(jìn)行水源劃分；匯流計(jì)算包括坡面匯流和河網(wǎng)匯流[2-3]。新安江模型對(duì)濕潤(rùn)地區(qū)與半濕潤(rùn)地區(qū)的洪水預(yù)報(bào)及徑流模擬具有很好的模擬效果[4-7]。

1.3.2 垂向混合產(chǎn)流模型

垂向混合產(chǎn)流模型是包為民教授[8]提出的一種在垂向上將超滲產(chǎn)流與蓄滿產(chǎn)流進(jìn)行組合的流域水文模型。當(dāng)流域內(nèi)降雨到達(dá)地面,首先通過(guò)空間分布的下滲能力分布曲線,劃分為地面徑流和下滲水流；地面徑流取決于雨強(qiáng)和下滲,為超滲產(chǎn)流模式；地面以下的徑流,取決于前期土壤缺水量和下滲的水量,包含壤中流和地下徑流,為蓄滿產(chǎn)流模式。模型仍然采用三層蒸散發(fā)模式計(jì)算蒸發(fā)量；水源劃分則按敞開式自由水箱按比例進(jìn)行劃分計(jì)算,坡面匯流采用線性水庫(kù)計(jì)算,河道匯流采用馬斯京根法[9]。

2 河系洪水預(yù)報(bào)方案構(gòu)建

根據(jù)漢江漢中段干支流的洪水傳播演進(jìn)規(guī)律,采用新安江模型和垂向混合產(chǎn)流模型分別構(gòu)建武侯鎮(zhèn)、漢中、洋縣、黃金峽4 處干流水文站,以及沮水河茶店、胥水河升仙村2 處支流水文站與褒河石門水庫(kù)入庫(kù)的單站預(yù)報(bào)方案。在單站預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上,采用上斷面的預(yù)報(bào)結(jié)果代替實(shí)測(cè)值進(jìn)行下斷面的連續(xù)預(yù)報(bào),進(jìn)一步構(gòu)建了漢江源頭至黃金峽的河系預(yù)報(bào)方案。

2.1 干流4 站預(yù)報(bào)方案構(gòu)建

（1）漢江源頭～武侯鎮(zhèn)

將漢江源頭～武侯鎮(zhèn)區(qū)間劃分為沮水河茶店站以上流域、玉帶河鐵鎖關(guān)站以上流域、漢江源頭至武侯鎮(zhèn)站未控流域共3 個(gè)單元。沮水河茶店站以上流域、漢江源頭至武侯鎮(zhèn)未控流域2 個(gè)子區(qū)間的產(chǎn)流部分分別采用兩種模型的產(chǎn)流模塊計(jì)算；玉帶河鐵鎖關(guān)站以上流域以及上述2 個(gè)子區(qū)間的匯流部分采用分段馬斯京根連續(xù)演算,根據(jù)各子區(qū)間匯入河道位置,進(jìn)行先合后演,逐河段演算至武侯鎮(zhèn)站斷面。

（2）武侯鎮(zhèn)～漢中

將武侯鎮(zhèn)～漢中區(qū)間劃分為干流武侯鎮(zhèn)站以上流域、漾家河元墩站以上流域、濂水河江西營(yíng)站以上流域、褒河石門水庫(kù)以上流域、武侯鎮(zhèn)至漢中未控流域共5 個(gè)子區(qū)間。褒河石門水庫(kù)以上流域、武侯鎮(zhèn)至漢中未控流域2 個(gè)子區(qū)間的產(chǎn)流部分分別采用兩種模型的產(chǎn)流模塊計(jì)算；干流武侯鎮(zhèn)站以上流域、漾家河元墩站以上流域、濂水河江西營(yíng)站以上流域3 個(gè)子區(qū)間及上述2 個(gè)子區(qū)間的匯流部分采用分段馬斯京根連續(xù)演算,根據(jù)各子區(qū)間匯入河道位置,進(jìn)行先合后演,逐河段演算至漢中站斷面。

（3）漢中～洋縣

將漢中～洋縣區(qū)間劃分為干流漢中站以上流域、冷水河三華石站以上流域、溢水河長(zhǎng)灘村站以上流域、胥水河升仙村站以上流域、漢中至黃金峽未控流域共5 個(gè)子區(qū)間。胥水河升仙村站以上流域、漢中至黃金峽未控流域2 個(gè)子區(qū)間的產(chǎn)流部分分別采用兩種模型的產(chǎn)流模塊計(jì)算；干流漢中站以上流域、冷水河三華石站以上流域、溢水河長(zhǎng)灘村站以上流域3 個(gè)子區(qū)間以及上述2 個(gè)子區(qū)間的匯流部分采用分段馬斯京根連續(xù)演算,根據(jù)各子區(qū)間匯入河道位置,進(jìn)行先合后演,逐河段演算至洋縣站斷面。

（4）洋縣～黃金峽

洋縣～黃金峽區(qū)間劃分為干流洋縣站以上流域、酉水河酉水街站以上流域、金水河金水站以上流域和洋縣至黃金峽未控流域共4 個(gè)子區(qū)間。金水河金水站以上流域子區(qū)間以及洋縣至黃金峽未控流域子區(qū)間的產(chǎn)流部分分別采用兩種模型的產(chǎn)流模塊計(jì)算；干流洋縣站以上流域、酉水河酉水街站以上流域2 個(gè)子區(qū)間及上述3 個(gè)子區(qū)間的匯流部分采用分段馬斯京根連續(xù)演算,根據(jù)各子區(qū)間匯入河道位置,進(jìn)行先合后演,逐河段演算至黃金峽水庫(kù)壩址斷面。

圖1 漢江漢中段單站洪水預(yù)報(bào)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 河系預(yù)報(bào)方案構(gòu)建

以漢江干流黃金峽水文站為預(yù)報(bào)對(duì)象,根據(jù)漢江漢中段流域內(nèi)子流域的上下游拓?fù)潢P(guān)系,串聯(lián)組合單站預(yù)報(bào)方案,并依據(jù)歷史場(chǎng)次洪水進(jìn)一步優(yōu)化單站預(yù)報(bào)中的新安江模型與垂向混合產(chǎn)流模型匯流參數(shù),分別構(gòu)建漢江源頭、武侯鎮(zhèn)站、漢中站至黃金峽站的河系預(yù)報(bào)方案,組合結(jié)構(gòu)見圖2。2

圖2 漢江源頭、武侯鎮(zhèn)站、漢中站至黃金峽站河系洪水預(yù)報(bào)方案結(jié)構(gòu)

.3 參數(shù)率定與結(jié)果分析

對(duì)單站次洪水分別進(jìn)行新安江模型與垂向混合產(chǎn)流模型參數(shù)率定,茶店、石門水庫(kù)、升仙村、武侯鎮(zhèn)、漢中、洋縣站選擇1990 年～2014 年資料用于參數(shù)率定,2015 年～2020 年資料用于參數(shù)檢驗(yàn)；黃金峽站選擇2010 年～2018 年資料用于參數(shù)率定,2019 年～2020 年資料用于參數(shù)檢驗(yàn)。兩種模型的計(jì)算步長(zhǎng)均為1 h。

模型參數(shù)率定采用人工優(yōu)選法和SCE-UA自動(dòng)優(yōu)選法相結(jié)合的方式。對(duì)于土壤蓄水容量分布曲線指數(shù)B、深層蒸散發(fā)擴(kuò)散系數(shù)C、流域不透水面積比例IM、土壤自由水容量分布曲線指數(shù)EX、地下水出流系數(shù)KG、地下水匯流系數(shù)CG、流域下滲率分布曲線指數(shù)BF、土壤對(duì)下滲率影響系數(shù)KF等相對(duì)不敏感參數(shù),根據(jù)流域特征與預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)使用人工優(yōu)選法對(duì)其進(jìn)行率定；對(duì)于流域蒸散發(fā)折算系統(tǒng)K、土壤自由水蓄水容量SM、地面水匯流系數(shù)CS和流域?qū)嶋H下滲率FC等敏感參數(shù),采用SCE-UA自動(dòng)優(yōu)選法率定；次洪模型中張力水蓄水容量WM、上層張力水蓄水容量WUM和下層張力水蓄水容量WLM數(shù)值通過(guò)日模型計(jì)算[10]。

兩種參數(shù)率定方法相結(jié)合有效避免了人工優(yōu)選參數(shù)慢、參數(shù)精度低的缺點(diǎn),同時(shí)可以避免自動(dòng)優(yōu)選參數(shù)取值不唯一、易陷入局部最優(yōu)解的缺點(diǎn)。表1 為新安江模型次洪模擬參數(shù)率定結(jié)果,表2為垂向混合產(chǎn)流模型次洪模擬參數(shù)率定結(jié)果。表3 統(tǒng)計(jì)了兩種模型的單站洪水模擬精度評(píng)定指標(biāo),表4 統(tǒng)計(jì)了兩種模型的河系洪水模擬精度評(píng)定指標(biāo)。

表1 新安江模型次洪方案參數(shù)

表2 垂向混合產(chǎn)流模型次洪方案參數(shù)

表3 單站洪水模擬精度評(píng)定指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

表4 河系洪水模擬精度評(píng)定指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

由兩種模型的次洪模擬參數(shù)結(jié)果可以看出,7 站同處于漢江漢中段流域,年降雨量比較接近,下墊面條件大致相同,因此7 站的大部分模型參數(shù)差別不大,但是在新安江模型次洪模擬中漢中、洋縣兩站的土壤自由水蓄水容量SM 取值較大,這主要是由于武侯鎮(zhèn)以下至洋縣小峽口為漢江平川段,土層較厚,土壤的蓄水量較山地明顯增大。

由次洪模擬精度評(píng)定結(jié)果可以看出,在率定期與檢驗(yàn)期,單站預(yù)報(bào)與河系預(yù)報(bào)的洪峰誤差、峰現(xiàn)時(shí)間誤差的合格率以及確定性系數(shù)均達(dá)到乙等方案精度要求,表明了兩種模型在漢江漢中段流域具有較好的適用性,也說(shuō)明了單站預(yù)報(bào)與河系預(yù)報(bào)方案構(gòu)造合理,同時(shí)新安江模型的洪水模擬精度高于垂向混合產(chǎn)流模型,說(shuō)明了漢江漢中段流域產(chǎn)流方式以蓄滿產(chǎn)流為主,超滲產(chǎn)流占比不高。

在單站次洪模擬中,支流模擬精度小于干流,說(shuō)明了支流洪水受中小型水利工程蓄泄影響較大,在蓄泄作用下,支流單站的場(chǎng)次洪水量級(jí)與洪水過(guò)程較天然狀態(tài)下有差異,導(dǎo)致洪峰模擬合格率與確定性系數(shù)下降,同時(shí)還有雨量站數(shù)量不足與分布不均的影響。在干流次洪模擬中,洋縣、黃金峽站模擬效果優(yōu)于武侯鎮(zhèn)及漢中站,說(shuō)明了漢中～洋縣區(qū)間、洋縣～黃金峽區(qū)間來(lái)水對(duì)洋縣、黃金峽站洪水的貢獻(xiàn)小于上斷面的干流洪水演進(jìn)。

黃金峽河系次洪模擬與單站次洪模擬對(duì)比,在洪峰模擬中,漢中～黃金峽河系方案模擬精度與單站模擬精度基本一致,漢江源頭～黃金峽、武侯鎮(zhèn)～黃金峽兩種河系方案精度較單站下降了7%,在峰現(xiàn)時(shí)間與過(guò)程擬合中,河系方案模擬精度與單站方案接近。主要原因在于河系連續(xù)預(yù)報(bào)中模型計(jì)算誤差傳遞對(duì)精度影響較大,單站預(yù)報(bào)只進(jìn)行了1 次計(jì)算,漢江源頭、武侯鎮(zhèn)、漢中～黃金峽站河系預(yù)報(bào)分別進(jìn)行了4次、3 次、2 次連續(xù)計(jì)算,同時(shí)石門水庫(kù)集水面積占漢中站控制流域面積的41.4%,漢中洪水主要來(lái)自干流武侯鎮(zhèn)站與區(qū)間支流褒河,漢中洪水受石門水庫(kù)蓄泄影響較大,部分場(chǎng)次洪水模擬精度較低,因此以漢中為預(yù)報(bào)依據(jù)站的河系方案較優(yōu),也說(shuō)明了黃金峽站洪水主要來(lái)自洋縣以上流域,洋縣～黃金峽區(qū)間來(lái)水貢獻(xiàn)較低。

3 應(yīng)用結(jié)果與分析

2021 年8 月～10 月漢江漢中段出現(xiàn)連續(xù)7 場(chǎng)暴雨洪水,從中選取了“20210821”“20210925”兩場(chǎng)典型洪水進(jìn)行單站及河系預(yù)報(bào)計(jì)算,計(jì)算步長(zhǎng)均為1h,源頭～黃金峽河系預(yù)報(bào)開始時(shí)間選擇過(guò)程降雨開始時(shí)刻,武侯鎮(zhèn)～黃金峽、漢中～黃金峽河系預(yù)報(bào)以及洋縣～黃金峽單站預(yù)報(bào)開始時(shí)間選擇上邊界的峰現(xiàn)時(shí)刻。表5 為兩場(chǎng)洪水河系預(yù)報(bào)結(jié)果評(píng)定指標(biāo)統(tǒng)計(jì),圖4、圖5 分別是“20210821”“20210925”號(hào)洪水河系預(yù)報(bào)過(guò)程線。

表5 河系預(yù)報(bào)結(jié)果評(píng)定指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

圖4 “20210821”號(hào)洪水河系預(yù)報(bào)過(guò)程線

圖5 “20210925”號(hào)洪水河系預(yù)報(bào)過(guò)程線

應(yīng)用結(jié)果表明：在黃金峽站單站和河系預(yù)報(bào)中,兩場(chǎng)洪水預(yù)報(bào)誤差均在合格范圍內(nèi),新安江模型預(yù)報(bào)結(jié)果的洪峰相對(duì)誤差和確定性系數(shù)均好于垂向混合產(chǎn)流模型,并且黃金峽單站方案在洪峰預(yù)報(bào)中精度優(yōu)于河系方案,漢中～黃金峽河系方案預(yù)報(bào)精度優(yōu)于漢江源頭～黃金峽、武侯鎮(zhèn)～黃金峽方案。

從黃金峽站兩場(chǎng)洪水的河系預(yù)報(bào)結(jié)果分析,“20210925”洪水較“20210821”預(yù)報(bào)誤差更小,研究認(rèn)為：“20210821”場(chǎng)次中黃金峽站洪水均主要來(lái)自漢中站,漢中站至黃金峽站區(qū)間流域產(chǎn)流不多,屬于典型的上游型洪水,而“20210925”場(chǎng)次屬于全流域暴雨洪水,在“20210821”場(chǎng)次中模型計(jì)算的區(qū)間產(chǎn)流量較實(shí)際偏大,同時(shí)對(duì)于上游型洪水來(lái)講漢中站預(yù)報(bào)誤差對(duì)下游洪水預(yù)報(bào)精度影響較全流域暴雨洪水更明顯。因此,與漢江漢中段上游型洪水相比,河系預(yù)報(bào)在全流域暴雨洪水應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)更明顯。

4 結(jié)論

本文結(jié)合歷史洪水?dāng)?shù)據(jù),采用新安江模型與垂向混合產(chǎn)流模型建立的河系預(yù)報(bào)方法在漢江黃金峽站洪水的洪峰預(yù)報(bào)、洪量預(yù)報(bào)、峰現(xiàn)時(shí)間誤差上模擬精度良好,同時(shí)新安江模型總體優(yōu)于垂向混合產(chǎn)流模型,河系預(yù)報(bào)在全流域暴雨洪水模擬精度優(yōu)于上游型洪水。

較單站預(yù)報(bào)方案,河系方案洪峰模擬精度下降了7%,峰現(xiàn)時(shí)間和洪水過(guò)程擬合中河系方案模擬精度與單站接近,河系方案預(yù)見期較單站延長(zhǎng)了10 h～20 h。因此,漢江黃金峽河系預(yù)報(bào)在滿足了流域內(nèi)防洪需求之上,更大程度地延長(zhǎng)了洪水預(yù)見期,可為下游石泉、安康水庫(kù)的防洪調(diào)度提供更精確、更提前的洪水預(yù)報(bào)信息。但是,值得注意的是,石門水庫(kù)調(diào)度以及流域暴雨洪水類型是漢中及以下斷面河系洪水預(yù)報(bào)誤差產(chǎn)生的重要因素,這正是下一步的研究?jī)?nèi)容。